无负压供水设备消除负压的几种方法.doc

无负压供水设备消除负压的几种方法马戍环在给水节能技术研讨会上的发言稿整理摘要对消除负压的原理及几种方法的形式和特点作了论述关键词无负压给水吸排气阀空气罐瞬变流智能化控制水泵变速城镇管网不允许直接水泵在负压下抽水也不允许水泵脉动流量突变等原因使取水管路中产生负压因此无负压成为了管网准许接泵抽水的首要条件于是无负压技术研究也成为了热门课题自年无负压给水设备面市以来无负压已经成为约定俗成的技术名词无负压技术装置和产品不断涌现五花八门的专利申请已近百件一项看来简单的应用技术令人有深奥和神秘的感觉但如果我们不去管那些机关巧妙各项专利内容以及各自的技术秘密或诀窍仅对目前已上市的无负压给水设备按照无负压的工作原理来分类可归纳为如下几种消除负压方法补入空气法原理概述如果在上端进水接管网下端出水接水泵的密闭水罐的顶部装上一个或一组吸气阀则可在水泵抽水流量大于管网进水流量而产生真空时打开吸气阀吸入大气使密闭水罐成为在大气压力下的开口容器因此消除了负压使管网流量限定在负压抽水的临界流量以下这种常用的吸排气阀的技术和装置显然属于成熟和有效的技术因此补气法成为无负压给水设备绝大多数产品采用的消除负压方法在我国最早的该类专利申请中见于年的机械式真空补偿器实际上是一个浮子式吸气阀当水位下降时浮子及阀芯下降接通大气而称为电动式真空补偿器的专利申请就是一个受液位接触点控制而打开的电磁阀现在很多产品也不在遮遮掩掩地作什么保密处理而是公开在罐顶装上一个吸排气阀门简单的原理和普通的构造被说清楚后使得无负压给水类设备更容易被人理解和接受存在的问题补气法是在真空产生时吸入大气自然会有空气或吸入物污染水质的可能为此北京市的有关文件提出防止局部污染防空气污染水质的条款就是针对补气法的这一缺点而言市场上也出现了称为真正全密闭的产品针锋相对地指向了吸气阀补气法产品的软肋笔者曾撰文对吸排气阀动作可靠性问题提出疑义见注文是出自两个方面的原因首先是作为机械结构器件的浮子阀或电磁阀必然存在的动作失灵和机械寿命问题特别是当管网水压足够而水泵容量不大时根本没有缺水负压产生的条件面对瞬变流产生的负压动作相对迟缓的机械阀门也根本不会动作因此出现阀门长年不动该动时动不了而形同虚设的现象另外诺大的水罐截面面积使罐中水位下降到达控制高度时间较长在吸气阀打开前的过渡时段负压早已形成并可能导致水体汽化析出气泡聚成气穴气囊充塞在水罐顶部恰在管网连接的进水口处使得进水过程中呈现汽液两相流的非稳定流态运动的水力因素此时进气阀能否打开能否排气补气都是较难把握的如若不能顺畅的排气吸气则会有管道水阻增大压力增高或压力振荡不稳甚至会造成管道接头漏水管壁疲劳而降低使用寿命或发生爆管事故这是管网方面最担心的事情笔者所知因吸气阀失灵或打不开的故障导致水泵电气故障时有发生甚至有把进水罐都吸瘪的恶性故障负压消除检验标准实验方法和检验手段过于简单含糊表现为缺少定量的指标缺少动态过渡过程的指标在产品标准中采用进水流量小于出水流量时负压消除器自动打开的试验方法而并不规定进水或出水流量的数值则是很容易达到要求的低标准譬如将进水阀门关闭进水量必然小于出水量吸气阀是很容易打开的但这并不能代表正常工况流量时的状况储水罐容积难以选定笔者曾在文章中提出过在基本不改变供水现状和格局的限定条件下扩大直接供水范围优先考虑管网能力和安全的价值取向维持一部分水池水箱的二次加压供水方式等观点注不赞成在管网能力不能满足最大需水流量时通过储水罐来贮水调峰即管网进水流量会小于用户用水量时则不准使用无负压设备于是进水罐只是为了消除负压动作过程中缓冲水量的需要就可以很小了当然为了扩大无负压产品使用范围讨好用户增加卖点可以增大蓄水罐容积并命名为稳流补偿器甚至可以把它作成之大切不说如此庞然大物加工安装打压试水都存在工艺上的很多问题只问购买如此巨大的一个压力容器要价值几何再说一旦蓄水量需要达到用来补偿进水量和用水量之差时所谓的真空抑制器或是吸气阀就处在长时间打开的接通大气的状态下密闭的水罐就是一个开口水池既无管网余裕压力可叠加利用也需要考虑蓄水时间若过长的水质变坏问题如此分析还是老老实实用水池的好还有水罐容积的计算也是有问题的如公式为容积出进进用水高峰期的自来水进水量出用水高峰期的顾客用水量用水高峰的持续时间此式中除出一项是设计师可依据规范计算出的数据以外而自来水的进水量进和高峰持续时间几乎是设计师无法得到可靠的数据的也很难有相对准确的估计因为影响管网出水量的不确定因素实在是太多了基于贮水调峰的设计思想又有了水箱式无负压给水设备的出现有的是用切换进水端从水箱或是管网进水有的则是从水箱和管网各自取水的两套设备切换运行这种方式几乎丧失了管网直接给水的全部优点水池仍需要消毒清洗而且为避免水箱死水不管管网压力能否保证直供水水池每天都需要清空一次凭添了许多麻烦至于可以叠压节能的优点要通过投资回收率或投资效益比的评价算计一下经济上是否值得投资水箱式无负压吸气污染的对策真空下吸入空气而且吸气口就是排水口也有吸入小虫等污物之嫌由此产生了对补气法的非议和拒绝于是就有了如下几种对策加过滤器在进气口加装空气过滤芯等装置防止颗粒物进入水罐当然是防治污染的有效办法但不知过滤器的阻力损失是多少时很难确信它能通畅地进气或排气橡胶囊或隔膜式罐体由此形成气水分离水体不会接触空气而称之为全密闭形式消除负压的机理仍是靠囊外吸入大气压力使在负压下吸凹的胶囊膨胀对于这种方式有胶囊寿命橡胶老化后是否有析出物等材质问题的疑问有运行中水中气体在囊中或隔膜下无法排出只有经过水泵排出因而会造成水泵气蚀而影响水泵的使用寿命的问题还有人认为胶囊和隔膜在向外受压的受力状况下可正常动作而负压吸力下则难以保证动作可靠以及存在吸瘪胶囊的吸力导致未充分利用储水就停机注等等指责分仓式罐体罐体被制造成两个仓体分为水仓和气仓罐体在全密闭状态下运行当水仓中产生负压时吸气阀打开从气仓补入气体做到了不与外界空气接通对于这种结构的疑问有很多如气仓气体是否存有害物质气仓进水逐渐减小气仓气体流失及如何补充气体若进入水泵从而影响水泵性能并且对水泵流道及叶轮造成一定损害等不同见解注小结吸排气阀是输配水管道的常用设备给排水设计手册中写到在管道隆起点和平直段的必要位置上应装设排进气阀以便及时排除管内空气不使发生气阻以及在放空管道或发生水锤时引入空气防止管道产生负压注吸气阀方式是具有理论依据和实践证明的成熟的简单的技术就是这样简单明瞭的工作原理和罐上装个吸气阀就可行的简单装置竟会演变出稳流补偿器真空抑制器负压消除器予压平衡器管网镇流器管网保护神等中国乃至世界的新产品使得无负压概念满天飞发明人叫苦不迭利用人们不懂混淆视听玷污了无负压这个概念注有人如是说预加压力法在一个上进水下出水的橡胶隔膜压力罐的气室中预加一定的压力用空气压缩机或氮气瓶等施压均可实现保持自来水的进水口有一定的压力就限制了取水量并不会使管道产生负压这项技术年代就有用于密闭液体容器上最近被个别厂家采用于无负压给水设备显然是可行的技术但它的隔膜式罐必然有节所述的各种缺点为了回避隔膜罐的缺点有的产品在罐中注入比重很小的气体如氦气等惰性气体并控制其压缩膨胀体积以保持罐内压力但仍然有因气体流失而失效的可能预加压力的作用在于保持进水口有一定的压力避免在进水管路中产生负压有的产品在进水罐中分隔出一个容积很小的压力仓称其有储能补水功能可以在管网供水不足时保障用水需求这显失正确若无足够的储水可供怎可无米之炊缓冲罐补流法当管网能力充裕而用户水泵很小之时根本就没有缺水性负压的生成条件即不会产生出水流量大于进水流量的断流现象此时水泵可串联到管网上直接抽水但是瞬变流产生的负压还是会影响管网安全注在水泵起动停泵振荡失控出水管断裂等很多情况下都会产生瞬变流负压为避免此现象造成管网脉动可以在水泵进水管上并联一个空气罐罐中积蓄着管网压力和罐中水位高度的势能当水泵吸口因瞬变流态突然产生水柱分离的时段初空气罐向水泵口补给流量由于空气罐的补给作用管中负压被控制在水体气化压力以上从而消除了负压破坏了水柱分离及再弥合的产生条件使水流脉动或水锤压力上升得到控制对管道运行的安全性及稳定性具有重要的作用有的设备水泵不使用变频器调速而是直接起动和停止的定速运转的台小泵进行台数切换控制来调节流量每台泵旁边立一个小型空气罐用于缓冲流量瞬变这样的设备在日本国多见智能控制法在认知了管路负压生成机理的基础上使用先进的智能化控制设备和技术自动控制水泵工况和水体流态从根本上消除负压生成条件则不会产生负压而不是产生之后再去消除这种全新设计理念的产品一经推出就引起了业内的关注因为从理论上讲有三点可以说明它是先进的其一产生负压再去消除的动态过程仍然是流量突变的振荡过程造成用水安全性和快适性的不良而根本不会产生负压则用水稳定性必然良好其二由电子器件构成的控制系统具有高可靠性和半永久性寿命期并有动作精确响应速度快等优点这是任何消除负压的机械装置所不能匹敌的因此对管网有更可靠更敏捷的保护作用其三不需要吸气排水的过程不需要贮水水罐水泵可直接管网因此是真正的全密闭自动控制的概念可以广义的理解时则很简单的位式控制也被称为自动控制例如在进水罐上装一块电接点压力表当压力低于某定值例如北京规定为时停泵断电停泵或在罐上装一只电接点真空表发生真空度为某值时进行吸气阀控制等为了和这样的简单控制相区别本文中使用了智能控制法的提法为了根本不产生负压和完成加压送水满足用户需水要求该智能控制应是由如下功能模块构成的自控系统压力或流量约束条件控制在取水管端口监测管网压力值当它低于规定下限值例如时发出控制指令停止水泵运转当管网能力冗余管网压力很高例如此京市管网压力可达以上时除非管网事故很难因取水超量而产生低于下限的压力很高的管网压力也可以抑制水泵脉动对管网的冲击因此压力下限控制在此样管网条件下是简单易行的方法但由于瞬变流负压有可能产生瞬间压力突降则有可能造成突然停泵多次停泵等影响正常用水的问题出现如果在压力下限停泵之前有一个缓冲的空间例如当压力时约束水泵不再升速使水泵在管网特性曲线的作用下自然地改变工况管网常常会自然恢复压力从而减少了突然停泵次数这对于管网压力相对较低压力值在约束条件的临界点附近飘移时会有很好的效果流量约束的控制方法适用于管网压力较低管网能力较弱的条件下有的城市管网干管末端压力仅有的较低压力例如德州市的管网但通过水厂控制系统可以恰适的调度保持管网压力的稳定性若用较苛刻的压力约束条件几乎无法推广使用无负压供水设备而流量约束控制用以限定用户的取水流量只要用户不超此允许的流量用水则可不管管网在取水口处的压力是多少只要不是负压哪怕只剩或水头也无妨这就大大扩展了无负压供水方式的应用范围流量限定条件的原理计算方法等问题在注及注文中已有论述流量的监测可以使用流量计但流量仪表价格昂贵维护麻烦一般只会在管网直接加压的大流量供水的末端加压站上使用一般小区楼宇用的无负压供水设备可用压力仪表检测压力通过压力和流量的关系式作成数学模型将压力演算为流量进行控制这在微机控制系统中是不难实现的但模型需要的数据往往设计时提不出来或计算不准确所以需要现场运行实测这样就加大了现场工事的工作量和时间增加了工程造价因此大多用估算的数据并不追求模型的精度所以管网准用流量指标下达时应留有余地瞬变流负压的抑制抑制瞬变流即避免流量的突变有水泵的软启动软停止台数增减时的平滑处理流量压力超调的限制调节振荡的防止控制系统故障产生失控的处理等方法控制的目的是保持非恒定流的连续性流态即使得进水流量的和出水流量相等不产生出水瞬间流量大于进水而拉断水柱的现象为了更加保险可以在进水管路和泵吸水口之间安装压力缓冲罐冲防止控制系统失灵或滞后出现瞬变流冲击管网出水的恒压控制水泵在叠加管网压力下运行有很多新的问题注出现其中出口压力受用水流量变化和管网压力变动的双向扰动以及叠压后水泵流量范围变大特性曲线变化等问题都使得出水恒压控制变的困难传统的调节及出口压力恒定方式很难有良好的控制特性和节电的效益采用现代控制理论和方法组成结构简单控制稳定适应性好的控制系统是大有文章可作的多样化的控制功能无负压给水设备的控制功能除抑制负压产生和出水恒压控制的基本功能之外还应具有很多实用性强的附加功能如停水停机后来水时自动启动停电后复电再启动水泵故障时备用泵自动投入工作泵和备用泵定时切换以免水泵停机死水时间过长等人性化的事故自处理和自启动的功能还有电气开关无火花仪表断线或失效保护水泵失速限制等安全保护性功能以及节电最大化水泵低频运转控制等软件实现的优化控制功能多样化的控制功能推动了无负压供水设备向无人值守免维护长寿命低噪声节电最大化安全供水无事故安定用水很舒适的高端产品发展结语无负压供水设备作为一项新技术产品技术优点显著社会需求热烈市场前景广阔因而生产厂家如雨后春笋市场产品五花八门鱼龙混杂由于没有权威性标准没有权威的标准制定者从学术上看关于无负压供水设备的技术介绍和论述大多来自生产厂家的产品样本缺少有份量的学术性论述未见过有价值的实验报告和研制报告在这样的氛围下即使制定出行业标准也只能是低水平的低指标的无法满足市场需求无法判别产品品质的真正优劣不能指导用户明明白白的消费见注文这必然会影响市场的健康发展王丹红整理注马戍环无负压给水设备及管网准用的技术条件给水排水注姜文源城镇二次供水谨防伪科技带来安全隐患中国建筑报中华城镇第期注商庆山曹成浅谈管网叠压无负压供水设备的性能及应用给水排水动态月号注建筑给排水设计手册第期城镇给水输配水注中国建设报年月日版文无负压供水设备别让大家都受伤注马戍环管网准用无负压给水设备技术条件的研究建设部信息中心北京城镇供水协会等主办城镇供水系统安全保障交流研讨会论文集注马戍环无负压给水设备的问题点二次供水设备选型与应用技术交流研讨会中国水协设备委注水工业市场无负压供水设备初步探讨马戍环文